第11章　古い星の光でできている

第124夜：まるくて青い炎

任務百二十四日目、ヌールのおもな仕事は、火を使った実験でした。火は、宇宙ステーションにいる人々がもっとも恐れるものの一つです。そのため実験は、厚い窓と特別なファンと何重もの安全装置をそなえた、じょうぶで密閉された箱の中で行われました。ヌールは、午前中の最初の一時間を点検リストに費やしました。密閉の具合、カメラ、ガスの供給、そしてすべてを制御するコンピューターを確かめていきます。アデが隣に浮かび、一行ずつ声に出して読みました。ヌールは、パイロットが離陸の前にするように、一行ごとに「確認」とひとことで答えていきました。

ようやくコンピューターが、箱の真ん中に燃料のごく小さなしずくを置いて、火をつけました。地球では、炎は涙のしずくのような形をしています。熱い空気は冷たい空気より軽いので、上へのぼり、炎を上へ引っぱってとがらせるのです。無重量状態では、熱い空気はのぼっていきません。のぼっていく先の「上」がないからです。そのため、ヌールの画面に映った炎は、小さな、ほとんど完全な玉の形をしていました。やわらかな青い色で、暗い箱の中で静かに光っていました。光でできた小さな惑星のようでした。

火の玉は、ほんの数秒しか続きませんでした。それから燃料がなくなり、青い光は消えていきました。カメラはすべてを記録していて、地上の科学者たちはその映像を何か月もかけて調べることになります。のぼっていく空気がないとき、炎がどのようにふるまうのかを理解したいのです。それがわかれば、地球の上での、エンジンや炉の中でものが燃えるしくみを理解するのにも役立つからです。ヌールとアデは、毎回少しずつ条件を変えながら、テストを六回くり返しました。午後になるころには、画面を見つめていたせいで、彼女の目は疲れていました。

その夜、仕事が終わってから、ヌールはサミからのメッセージを読みました。サミは、乗組員が学校向けに公開した、まるい炎の短い映像を見ていました。「きれいだね」と彼は書いていました。「じゃあ、太陽もああいう巨大な火なの？　あそこで燃えているの？」。ヌールはほほえみました。とてもよい質問で、答えは「そうだ」と信じている人もたくさんいます。本当の答えは、もっと不思議で、もっとすばらしいものです。そしてそれは、科学全体の中でももっとも驚くべき事実の一つにつながっていきます。ヌールの体の、サミの体の、そしてあなたの体の材料のほとんどは、星の内部でつくられたのです。

ですから今夜の物語は、星がどのようにはたらき、何をつくるのかについての物語です。それは、この本の前の夜、つまり初期の宇宙のさざ波が、ふつうの物質と謎めいたダークマターによって引きよせられて銀河へと育った話の続きです。今夜は、そうした銀河の中をのぞいて、星そのものを見ていきます。そして、星がただの明かりではないことを知ります。星は、仕事場なのです。

星は火ではない

ヌールの箱の中の青い玉のような火は、化学反応です。燃料が空気の中の酸素と結びつき、原子が並びかえられて、新しい分子になります。そのときに、熱と光が出ます。けれども火の中では、原子そのものは変わりません。燃料の中の炭素の原子は、煙の中でも炭素の原子のままです。変わったのは、原子どうしの手のつなぎ方だけなのです。

もし太陽がこのような種類の巨大な火だったとしたら、ずっと前に燃えつきていたことでしょう。何十億年ではなく、ほんの数千年しかもたなかったはずです。それに、もう一つ問題があります。火には、まわりの空気の中の酸素が必要ですが、宇宙には空気がありません。ですから、太陽は別の方法で輝いているはずです。その方法が、核融合と呼ばれるものです。

核融合は、太陽の中心、中心核と呼ばれる部分で起きています。そこでは、太陽全体の重さがのしかかり、温度はおよそ1500万℃にもなります。それほどの熱と圧力のもとでは、水素の原子の中心、つまり原子核が、とても速く動くので、おたがいにぶつかってくっついてしまいます。一段ずつ、四つの水素の原子核が、一つのヘリウムの原子核になっていくのです。新しくできたヘリウムは、それをつくった四つの水素の原子核よりも、ほんのわずかに軽くなっています。そのわずかに失われた物質が、エネルギーに変わったのです。そして、そのエネルギーが太陽を輝かせているのです。

なぜ、これにはそれほどとてつもない熱が必要なのでしょうか。水素の原子核はみな同じ種類の電気を帯びていて、同じ電気を帯びたものどうしは、向きをまちがえた二つの磁石のように、おたがいを押しのけあいます。私たちのまわりの冷たい世界では、水素の原子核が結びつくほど近づくことはけっしてありません。とてつもない熱の中で、星全体の重さを受けて、とてつもなく速く動くときにだけ、そのうちのいくつかがくっつくほど近づくことができるのです。太陽の中心核の中でさえ、一つひとつの水素の原子核は、ふつう、ほかの原子核と結びつくまでにとても長い時間待っています。太陽が安定して輝いているのは、そこにとても多くの原子核があるので、一秒ごとに、ばく大な数の原子核がうまく結びついているからです。

そのちがいを、一文で言うとこうなります。火の中では、原子は相手を交換します。核融合では、原子の中心どうしが結びついて、別の元素になります。核融合は、水素をヘリウムに変えます。ものを並びかえるだけではなく、新しいものをつくり出すのです。だからこそ、それほど力強いのです。太陽は一秒ごとに、自分の物質のおよそ400万トンをエネルギーに変えていて、それをおよそ46億年続けてきました。それでも、太陽はとてつもなく大きいので、水素のほんの一部しか使っていないのです。

夜通し働くパン屋を思い浮かべるとわかりやすいかもしれません。中央にある熱いオーブンの中で、単純な生地がパンになります。星の中心核では、いちばん単純な元素である水素が、その次の元素であるヘリウムになります。星から出てくる光は、パン屋の戸口からもれてくる温かさのようなものです。私たちはその温かさを感じますが、本当の仕事は、見えない奥深くで行われているのです。

星が輝くしくみを見つけた人々

長いあいだ、太陽のエネルギーは謎でした。十九世紀には、科学者たちは、それをものが燃えることや、太陽がゆっくり縮みながら、縮むにつれて熱くなることで説明しようとしました。けれども、こうした考えのどれも、太陽に十分に長い一生を与えることはできませんでした。地球の岩石や、生きもののゆっくりとした営みは、知られているどんなしくみで太陽が輝きつづけられるよりも、はるかに長い時間を必要としているように見えたのです。岩石を調べる人々と、空を調べる人々は、ちがう答えを出していて、だれにもそれを一致させることができませんでした。

答えは、原子の小さな中心である原子核を調べる、科学の新しい分野からやってきました。1920年代から1930年代にかけて、科学者たちは、原子核が結びついてエネルギーを出すことがあると知りました。1939年、ハンス・ベーテという科学者が、太陽のような星の中心核でどんな反応が起こりうるのかを、一段ずつ導き出しました。彼は、水素がヘリウムになる核融合が、太陽を何十億年も輝かせつづけられることを示したのです。古い謎は、机に向かって紙と鉛筆で行った、注意深い計算によって解かれました。

以前の夜に出会ったセシリア・ペインを思い出してください。1925年、彼女は星がおもに水素とヘリウムでできていることを見つけました。彼女の発見とベーテの計算は、一枚の皿の二つの半分のように、ぴたりと合わさります。星はおもに水素でできていて、その水素が星の燃料なのです。ヘリウムは、一部は宇宙の最初の数分間につくられたもので、一部はそれ以来、星がつくってきたものです。

次の問いは、さらに大きなものでした。星がヘリウムをつくれるのなら、ほかの元素もつくれるのでしょうか。1957年、マーガレット・バービッジ、ジェフリー・バービッジ、ウィリアム・ファウラー、フレッド・ホイルの四人の科学者が、長い論文を書きました。それは、星が一生のさまざまな段階で、ほとんどすべての元素を次々と組み立てることができるしくみを描き出したものでした。フレッド・ホイルは、何年も前にラジオ番組でビッグバンに名前をつけたのと同じ人物です。彼はその考えには賛成していませんでしたが、この問いについては、彼の仕事が、元素のほとんどがどこから来たのかを示す助けになりました。同じころ、ほかの科学者たちも似た方向で仕事を進めていて、その後の何十年かのあいだに、多くの観測が、その中心となる描き方を裏づけました。

この知識がどのように築かれたのかを考えてみてください。星の中心を訪れた人は、だれもいません。すべては、光から、地球の実験室での原子核の実験から、そして計算から学ばれたのです。この本に出てくる多くの発見と同じように、それは、机に向かい、実験室で働き、ときには何年もかけておたがいの数字を確かめあった人々の仕事でした。

大きな星の最期

太陽のような星は、一生のほとんどを、水素をヘリウムに変えて過ごします。中心核の水素が少なくなってくると、星は変わっていきます。外側の層がふくらんで、赤色巨星と呼ばれる、大きくて温度の低い、赤みがかった星になります。その中心核では、今度はヘリウムの原子核が結びつきはじめ、炭素と酸素をつくります。最後に、太陽のような星は、外側の層を光るガスの殻のように、おだやかに宇宙へ押し出します。あとに残るのは、白色矮星と呼ばれる、小さくて熱く、とても密度の高い中心核で、それはとても長い時間をかけて、ゆっくりと冷えていきます。

太陽よりもずっと重い星は、もっと速く生きて、もっと劇的に一生を終えます。その大きな重さのために中心核がより熱くなるので、もっと先まで進むことができるのです。炭素と酸素のあとに、ネオン、マグネシウム、ケイ素をつくり、最後に鉄をつくります。星は、少し玉ねぎのように層に分かれ、中心に近いほど重い元素がある形になります。けれども、鉄がこの道の終わりです。鉄の原子核を結びつけても、エネルギーは出てきません。逆にエネルギーをうばってしまうのです。そのため、大きな星の中心核が鉄でいっぱいになると、そのオーブンにはもう何も出せるものがなくなります。

星の一生の速さは、その重さで決まります。太陽のような星は、一生がおよそ100億年なので、今はおおよそその働き盛りの真ん中にいます。もっとも重い星は、ほんの数百万年で燃料を使いきってしまいます。星にとっては、とても短い時間です。仕事のちがう二人の働き手に、少し似ています。一人は長い仕事人生のあいだ、ずっと一定のペースで働き、もう一人はものすごい速さで働いて、とても早く終わってしまいます。どちらも何かをあとに残しますが、もっとも劇的な成果を残すのは、速く働いたほうです。

外へ押し出すエネルギーがなくなると、中心核は自分の重さで一瞬のうちにつぶれます。外側の層は内側へ落ちこみ、はね返されて、超新星と呼ばれる巨大な爆発で宇宙へ投げ出されます。数週間のあいだ、一つの超新星が、星でできた銀河全体と同じくらい明るく輝くこともあります。その爆発は、星が一生のあいだにつくった炭素や酸素やケイ素や鉄、そしてほかの多くの元素をまき散らします。爆発そのものの激しい熱の中で、新しい元素もつくられます。中心に残るのは、中性子星かもしれません。それは、スプーン一杯で山一つ分もの重さになるほど密度の高い物質の玉です。もっとも重い場合には、ブラックホールが残ります。

金のような、もっとも重い元素のいくつかは、とても特別な条件を必要とします。長年、科学者たちは、その一つの可能性として、二つの中性子星の衝突を考えていました。2017年、天文学者たちは、まさにそうした衝突を観測しました。空間そのもののごく小さなさざ波をとらえることのできる装置が、二つの中性子星がらせんを描きながら合わさっていく信号をとらえ、そのあと世界中の望遠鏡がそのできごとの光を見たのです。その光の中に、天文学者たちは、つくられたばかりの重い元素の手がかりを見つけました。そこには金のような元素もふくまれていました。今日、科学者たちは、重い元素はいくつかの種類のできごとから来ていると考えていて、それぞれの種類がどれだけ寄与しているのかを、今も調べつづけています。

まき散らされた元素は、失われたままにはなりません。星と星のあいだにあるガスやちりの雲にまざりこみます。のちに、そうした雲がつぶれて、新しい星や新しい惑星になります。新しい世代の星は、その一つ前の世代よりも、少しだけ多くの重い元素を持って生まれてきます。銀河は、同じなべが何度もくり返し使われる、大きくてのんびりした台所のようなものです。一回の食事のたびに、次の食事のために、少しだけ多くの風味が残されていくのです。

あなたの体の中の原子

さて、私たち自身に話を戻しましょう。あなたの体は、たくさんの元素でできています。重さでいちばん大きな部分を占めているのは酸素で、そのほとんどは体の中の水にふくまれています。生きている細胞の一つひとつに、炭素があります。筋肉のたんぱく質には、窒素があります。骨や歯には、カルシウムがあります。血液の中には鉄があり、肺から体のすみずみまで酸素を運んでいます。

こうした元素は、宇宙の最初の数分間には、ほとんど一つも存在していませんでした。以前の夜に見たように、その数分間がつくったのは、おもに水素とヘリウムと、ごくわずかなリチウムでした。あなたの体の中の炭素や窒素や酸素は、あとになって、星の内部でつくられたのです。カルシウムや鉄も星から来ました。その多くは、太陽が生まれるずっと前に爆発した星から来たものです。まさに文字どおりの意味で、あなたは、私たちの太陽系ができる前に生きて死んでいった星々の残りものからできているのです。

一つ、大切な例外があります。あなたの体の中の水素、飲んでいる水や食べている食べものの中の水素は、星の中でつくられたのではありません。水素はいちばん単純な元素で、そのほとんどすべてが宇宙の最初の数分間から来ています。原子の数で言えば、水素はあなたの体の中でいちばん多い元素です。ですから、あなたは自分の中に、二つの種類の歴史を抱えていることになります。水素の中にはごく初期の宇宙の歴史を、そしてそれ以外のほとんどすべての中には、たくさんの星の長い仕事の歴史を。

これは、ステーションでヌールのまわりにあるあらゆるものについても言えることです。壁のアルミニウムも、空気タンクの中の酸素も、コンピューターのチップの中のケイ素も、食べものの中の炭素も、すべて星から来ました。青い炎を入れていた箱の金属は、何十億年も前に、星の仕事場で、原子一つずつつくられたのです。あの青い炎の光でさえ、かつて星の中にあった原子から出たものでした。

これを心の底から実感するのは、かんたんではありません。一杯のお茶は、大昔の星の名残のようには見えません。けれども今度、職場の道具や、台所のなべや、小道の石など、何か重いものを手に持ったときには、その原子が地球よりも古いことを思い出してみてもよいかもしれません。それらは、宇宙を、雲を、そして新しい星をくぐりぬけて旅をしてきて、今あなたの手の中で休んでいるのです。

サミへのメッセージ

一日の終わりに、ヌールは寝室へ漂っていき、寝袋のファスナーを胸もとまで閉めました。まるくて青い炎のことや、その日ステーションのために十六回のぼっては沈んだ太陽のことを考えました。それから小さなタブレットを開いて、サミにメッセージを書きました。

「ううん、太陽は火じゃないよ」と彼女は書きました。「水素がヘリウムに変わる、一種のオーブンなの。大きな星は、ほかのものもつくる。炭素、酸素、鉄。死ぬときには、それを全部宇宙へ投げ出して、そこから新しい星や惑星ができるんだよ。サミの血の中の鉄も、星の中でつくられたの。だから今夜疲れたら、自分はとても古くて、とてもじょうぶな材料でできているんだって思い出してね」

午前三時ごろ、はるか下の静かな道で、サミは休憩のために車を止めました。彼はメッセージを二回読み、サンドイッチを食べ、フロントガラスごしに、雲のあいだのいくつかの明るい星を見上げました。そして、こう返事を書きました。「とてもじょうぶな材料、ね。最後の箱を持ち上げるとき、腰にそう言い聞かせるよ」

あなたも今、長い一日を終えようとしているのかもしれません。手は疲れ、腰は痛み、明日はもう待ちかまえているかもしれません。けれども、あなたをつくっている材料は、星の中心をくぐりぬけてきたものです。今夜は、ただゆっくり休ませてあげればよいのです。

よくある誤解

自分の体の原子は一つ残らず星の内部でつくられた、と思っている人はたくさんいます。美しい考えで、ほとんどは正しいのですが、完全に正しいわけではありません。炭素や酸素やカルシウムや鉄のように、体の中の元素のほとんどは、たしかに星の中でつくられました。けれども、水の分子の一つひとつや、細胞の中の多くの分子の一部である水素は、宇宙の最初の数分間につくられたのです。ですから、私たちは、宇宙のはじまりからの材料と、星からの材料の両方でできている、と言うほうが正確です。

また、太陽や星は火のように燃えている、と思っている人もたくさんいます。それは自然なことです。太陽や星は熱くて明るいですし、ふだんのことばでも、よく「燃えている」と言われるからです。けれども火は、酸素を必要とし、原子のつながり方だけを変える化学反応です。太陽は核融合によって輝いています。水素の原子の中心どうしが結びついてヘリウムになり、わずかな物質が大量のエネルギーに変わるのです。太陽が何十億年も輝きつづけられるのも、空気を必要としないのも、そのためです。

最後に、金やほかの重い元素は、ほかのあらゆるものといっしょにビッグバンのときにつくられた、と思っている人もいます。実際には、宇宙の最初の数分間がつくったのは、もっとも軽い元素だけでした。水素とヘリウムと、少しのリチウムです。宇宙はあまりにも速く冷えてしまったので、それより重いものを組み立てることはできませんでした。金やほかの重い元素は、ずっとあとになって、中性子星の衝突のような極端なできごとや、おそらくはある種の爆発する星の中でつくられたのです。ですから、指輪の金は、コップ一杯の水の中の水素よりも、ずっと若いのです。次の夜には、まき散らされた元素のいくつかが、新しい星とその惑星へと集まっていくようすをたどります。太陽と地球です。